桥梁球形支座用新型复合滑板材料的结构、性能与机理研究

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近年来,各类桥梁建设工程持续增加并保持高速发展,桥梁球形支座由于具备受力均匀、承载力大、转矩小等优势而广泛应用于公路、铁路及市政建设等领域。伴随着新材料的开发与利用,支座滑板耐磨材料也在发生日新月异的变化。桥梁支座耐磨材料是支座中非常重要的滑动部件,发挥着承压传力的作用,其性能好坏直接影响桥梁支座的使用寿命和安全性能。超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有许多优良性能,尤其是高耐磨性和低摩擦系数表现突出。本世纪初,德国毛勒(Maurer)公司率先提出将改性UHMWPE作为支座耐磨材料应用于高速铁路及磁悬浮列车领域。UHMWPE经过改性后克服了聚四氟乙烯(PTFE)易冷流、磨损率高等缺点,更适合用作支座耐磨材料。据报道,我国已将UHMWPE滑板应用在武广客运专线,在今后还将具有广阔的应用前景。基于以上应用前景,本研究设计采用空心玻璃微球(hollow glassbeads,GB)和二硫化钼(MoS2)来改性UHMWPE,其添加量分别为1%、3%、5%、7%和10%。针对UHMWPE与无机填料存在界面结合不紧密等问题,本研究以聚四氢呋喃醚二元醇(PTMG2000)和甲苯二异氰酸酯(TDI)为主要原料,设计合成了一种反应型高分子量界面剂(BH509)解决上述问题,其数均分子量在2000以上,异氰酸酯含量为6.45%。UHMWPE复合材料是通过KH550和B509两种界面剂处理填料表面后经过模压成型来制备的,并对UHMWPE/GB和UHMWPE/MoS2两个系列复合材料的力学性能、热性能及摩擦磨损性能进行了测试,还利用红外光谱(IR)分析了填料的表面改性情况。材料断面及磨损表面形貌采用扫描电镜(SEM)来观察。为模拟重载铁路中滑板的实际使用情况,还对本实验中制备的UHMWPE滑板进行了长时限压缩形变实验,并利用五元件Maxwell模型对其应力松弛行为进行了分析。主要研究结果如下:1.界面剂BH509可以很好地包覆在填料表面,处理效果要好于KH550。2.UHMWPE改性后力学强度降低,并与填料含量成反比。UHMWPE/GB复合材料热性能及硬度均有所提高,当GB含量不超过5%时,拉伸强度在35MPa以上,断裂伸长率在280%以上,硬度在71°,维卡软化点为135℃;UHMWPE/MoS2复合材料的力学性能及热性能相对较差,MoS2含量在3%时,拉伸强度为35MPa,断裂伸长率为250%,维卡软化温度点129℃,硬度68.5°。3.UHMWPE摩擦系数和磨损率与加载力成正比。在200N加载下,UHMWPE以粘着磨损为主,磨损率0.14%,摩擦系数为0.17。UHMWPE/GB和UHMWPE/MoS2两种复合材料的摩擦系数和磨损率都是在填料为5%处最低,并且UHMWPE/MoS2的降磨性能更佳,以疲劳磨损为主,磨损表面平整光滑,其摩擦系数为0.03,磨损率0.07%;UHMWPE/GB复合材料的摩擦系数和磨损率分别为0.07和0.11%,磨损表面有轻微磨削和犁沟现象,表现为磨粒磨损特征。4.综合考虑UHMWPE复合材料力学性能和摩擦磨损性能情况下,填料含量为5%时,相应的复合材料性能最佳。
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